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喷射润滑高速轴承内部油气两相流动研究

时间:2017-7-6 9:53:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  基金项目:车辆传动国家级重点。整个模型包含48446个网格单元,分为两个流体区域,一个是喷嘴区域,另一个是轴承腔区域。在喷嘴出口与轴承腔左端面之间设置对网格分界面,以实现网格滑移。

  三维网格模型Fig. 2.2边界条件及求解方法喷嘴入口为质量入口边界条件,轴承端面为压力出口并设为零压,壁面为无滑移边界,并利用壁面函数法模拟近壁区湍流。轴承内部流域相对喷嘴以定的角速度旋转,转速设为滚动体和保持架的公转转速,内圈壁面转速设置为内圈在旋转坐标下的相对转速叫为径;叫为轴承内圈的绝对转速。VOF模型中设置空气为可压缩相,并设为主相,密度1. 5Pas;润滑油为不可压缩相,设为次相,润滑油型号为CD15W/40,密度860kg/m3,黏度018Pas.初始化时喷嘴内的油液相函数设为轴承腔内油液相函数设为0.考虑到模型网格采用四面体非结构网格,采用二阶迎风格式离散动量方程、湍流方程和相函数方程,压力项采用PRESTO格式。轴承内部的油气两相界面随着滚动体和保持架的转动而瞬态变化,因此采用分离式解法中的PI-SO格式进行求解,时间步长根据轴承腔旋转速度而定,每个时间步内最大迭代次数为200次。通过残差曲线和边界通量守恒两种方式判断计算是否收敛。速度分量和相函数的残差收敛阈值设为105,湍动能和耗散率的残差收敛阈值设为103.同时,检测入口与出口边界的质量流量平衡,当进出口净通量下降到1%以内时可视为计算收敛。仿真计算在Fluent平台下进行。

  3仿真结果与分析3.1轴承内部两相流场通过仿真得到轴承内部两相流流场分布和相界面变化动态过程。为轴承转速104r/min,供油量3L/min时轴承内部的速度场和流线图。由图可见,润滑油喷入轴承后受到滚动体与保持架的搅动作用产生旋流,并受到自身离心力作用流向外圈,最终由外圈附近出口处甩出,仿真结果符合物理事实。

  喷嘴出口与it临近速度场与流线图两相流对轴承热特性的影响关键体现在轴承内部的油、气体积分数和分布状态上。通过瞬态仿真得到了润滑油喷入轴承后的油气混合过程和状态,如所示。初始时刻,轴承内部设定为充满空气,油液体积分数为0;第5个时间步时,可明显观察到油液喷入轴承腔,并产生扩散;第30个时间步时,由于滚动体和保持架的旋转带动油液向下游流动;第150个时间步时,油液分布于整个轴承腔,并受离心力作用沿外圈壁面甩出。润滑油在轴承内部的分布并不均匀,主要呈现出喷嘴附近区域及其下游外圈附近区域油液体积分数较高,为润滑充分区;而在喷嘴上游区域油液体积分数较少,为润滑危险区。油油气相分布变化过程Fig.气分布的不均匀性将导致轴承内部各部位冷却效果的差异性,从而使轴承温度分布并非周期对称分布,试验中也证实了该预测结果(具体温度场的仿真和试验结果作者将另文撰述)。

  油液体积分数随方位角的变化如所示,喷嘴处方位角设为0°,该处附近的油液体积分数较大,最高达到6.1%,沿旋转方向油液体积分数逐渐减少,在300°附近降为1.8%.可见,轴承内部实际存留油量的体积分数很小,平均油液体积分数在3%左右,基本符合64中的反推结果。当然,实际油液体积分数受轴承转速和供油量大小的影响(该部分详细论述见下节)。利用该模型,建立了轴承结构-转速-共油量与轴承内部实际油液体积分数之间的联系,并得到了油液体积分数的具体分布,为轴承温度场和热变形的分析计算提供了更为接近实际的边界条件。

  3.2轴承转速和供油流量的影响转速和供油流量是影响轴承内部油液体积分数的关键因素,通过仿真得到了轴承内部油液体积分数随转速和供油流量的变化规律,如、所示。由图可见,油液体积分数随着转速的升高而降低,随供油量的增大而增加,并呈非线性关系。其原因是转速越高,油液的离心力作用越明显,使出口速度和流量增大,腔内油液体积分数降低;而供油流量越大,腔内油液体积分数显然越高。利用该规律,可对不同转速和供油量下的油液体积分数进行预测,结合轴承的热平衡分析,以便于确定高速轴承的最佳供油量。

  4结论利用VOF模型和滑移网格技术,实现了滚动轴承内部油气两相流的瞬态模拟,得到了油气两相流的混合过程和变化规律,仿真结果符合物理事实并与相关实验所得结论相符。

  罗森林,刘盈盈,冯扬,等。BFS~CTC汉语句义结构标注(上接第1025页)建立了轴承结构-转速-共油量与轴承内部实际油液体积分数之间的联系,分析结果显示油液体积分数随转速的升高而降低,随供油量的增大而增加,并呈非线性关系。

  轴承内部的油气两相分布并不均匀,喷嘴附近区域及其下游外圈附近区域含油量较高,而在喷嘴上游区域油液体积分数较少,为高速滚动轴承的温度场计算提供了更为接近实际的边界条件,对高速轴承的润滑设计具有重要意义。